第六章 微生物代謝

第六章微生物的代謝新陳代謝：發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。

新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。代謝概論復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]第一節(jié)微生物的能量代謝研究能量代謝的根本目的，是要追蹤生物如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能利用的通用能源－－ATP。一、ATP的結(jié)構(gòu)及其生成腺嘌呤核苷三磷酸ATP→ADP+Pi或ATP→AMP+PPiH2CH9腺苷-5′-磷酸AMPADPATPOOHOH1′2′3′4′5′NNNNHPO-O‖~PO-O‖~O—OO—PO-O‖HO—NH2（一）底物水平磷酸化

底物分子中的能量直接以高能鍵傳給ADP生成ATP，這個過程稱為底物水平磷酸化。（二）氧化磷酸化

在結(jié)構(gòu)完整的線粒體中氧化與磷酸化緊密耦聯(lián)在一起，氧化釋放的能量用于ATP合成，這個過程就是氧化磷酸化。

化學滲透學說（三）光合磷酸化

由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程稱為光合磷酸化。二、微生物的氧化方式

貯存在生物體內(nèi)葡萄糖等有機物中的化學潛能，經(jīng)上述4條途徑脫氫后，通過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終可與氧、無機或有機氧化物等氫受體相結(jié)合而釋放出其中的能量。根據(jù)遞氫特點尤其是受氫體性質(zhì)的不同，可把生物氧化區(qū)分為呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵3種類型。

1、有氧呼吸有氧呼吸:又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式。特點：底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力［H］形式存在）經(jīng)完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。氧化磷酸化：又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或電子）和受氫過程與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。呼吸鏈（電子傳遞鏈）2、無氧呼吸無氧呼吸：又稱厭氧呼吸，指一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。特點：底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸

有機物呼吸甘氨酸呼吸：甘氨酸乙酸

氧化三甲胺呼吸：氧化三甲胺三甲胺有關(guān)“鬼火”的生物學解釋

在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質(zhì)時，經(jīng)常會發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳墓封口不嚴時，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會發(fā)出綠幽幽的光。長期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。3、發(fā)酵（fermentation）發(fā)酵：指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類低效能生物氧化反應(yīng)。1)由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵2）通過HMP途徑的發(fā)酵

——異型乳酸發(fā)酵

1、異型乳酸發(fā)酵途徑：（典型）

ADP+Pi→ATP

葡萄糖為底物：葡萄糖乳酸+乙醇+CO2+H2O

2ADP+Pi→2ATP

核糖為底物：核糖乳酸+乙酸+H2O2.異型乳酸發(fā)酵雙歧桿菌途徑：PK途徑2）通過HMP途徑的發(fā)酵——異型乳酸發(fā)酵類型途徑產(chǎn)物/1葡萄糖產(chǎn)能/1葡萄糖菌種代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdelbruckii德氏乳桿菌糞鏈球菌Streptococcusfaecalis異型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides腸膜明串球菌1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis短乳桿菌1乳酸1.5乙酸2.5ATPBifidobacteriumbifidum兩歧雙歧桿菌3）通過ED途徑進行的發(fā)酵細菌酒精發(fā)酵:通過將葡萄糖不同碳原子進行14C標記測定，三條途徑乙醇上碳原子來源不同：1.酵母的同型酒精發(fā)酵（EMP）1，2；5，6；2.細菌的同型酒精發(fā)酵（ED）2，3；5，6；3.細菌的異型酒精發(fā)酵（HMP或PK）2，3。

4）由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)物—Stickland反應(yīng)

這種以一種氨基酸作底物脫氫（即氫供體），而以另一種氨基酸作氫受體而實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。此反應(yīng)的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。

如：生孢梭菌用氨基酸作碳、氮、能源。以丙氨酸和甘氨酸間的發(fā)酵反應(yīng)（Stickland反應(yīng)）產(chǎn)能（產(chǎn)1ATP），它們的生化機制、總反應(yīng)是：Stickland反應(yīng)。丙氨酸被氧化成乙酸，甘氨酸被用來氧化丙氨酸降解過程中產(chǎn)生的NADH。此種發(fā)酵過程也產(chǎn)生一些ATP。5）發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)僅是專性或兼性厭氧菌在無氧條件下的一種生物氧化形式；其產(chǎn)能方式只是通過底物水平的磷酸化，產(chǎn)能效率很低。底物水平磷酸化可形成多種含高能磷酸鍵的產(chǎn)物，如乙酰磷酸等11種。發(fā)酵中很多反應(yīng)可形成乙酰磷酸，并可經(jīng)乙酸激酶催化，完成底物水平磷酸化產(chǎn)能：第二節(jié)微生物的分解代謝一、己糖的分解EMP途徑HMP途徑ED途徑WD途徑Stickland反應(yīng)二、丙酮酸代謝的多樣性底物脫氫的4條主要途徑（以葡萄糖為例）HMP1、EMP途徑EMP途徑：又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑，是絕大多數(shù)生物所共有的一條主流代謝途徑。專性厭氧微生物產(chǎn)能的唯一途徑。EMP途徑的生理功能：1）供應(yīng)ATP形成的能量和NADH2形式的還原力；2）是連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁，包括TCA、HMP、ED途徑等；3）為生物合成提供多種中間代謝物；4）通過逆向反應(yīng)可進行多糖合成。若從EMP途徑與人類生產(chǎn)實踐的關(guān)系來看，則它與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)系密切。EMP途徑要點一個總反應(yīng)式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O兩個階段：

耗能階段

產(chǎn)能階段C62C32丙酮酸

-2ATP

+4ATP三種產(chǎn)物：丙酮酸（2）、ATP（4-2）、NADH+H+（2）EMP途徑要點四個產(chǎn)物去向：

丙酮酸：進入TCA循環(huán)；還原產(chǎn)乳酸、乙醇等；ATP：營養(yǎng)物吸收和合成反應(yīng)；NADH+H+：借氧化磷酸化產(chǎn)能。五個重要的酶：磷酸果糖激酶(3)，果糖二磷酸醛縮酶(4)，3-磷酸甘油醛脫氫酶(6)，磷酸甘油酸激酶(7)，烯醇化酶(9)。十個反應(yīng)步驟。

2、HMP途徑

（hexosemonophosphatepathway）

HMP途徑：又稱己糖一磷酸途徑、己糖一磷酸支路、戊糖磷酸途徑（pentosephosphatepathway）或磷酸葡萄糖酸途徑(phosphogluconatepathway)。特點：葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADP＋H＋形式的還原力以及多種重要中間代謝產(chǎn)物。

HMP途徑要點一個總反應(yīng)式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi兩種發(fā)生條件：有氧、無氧；三個階段：葡萄糖核酮糖-5-磷酸；戊糖異構(gòu)；（重排）戊糖-磷酸己糖-磷酸+丙糖-磷酸。HMP途徑要點四種中間產(chǎn)物：（4、5碳）磷酸糖；甘油醛-3-磷酸；NADH+H+；CO2；五種產(chǎn)物去向：NADH+H+：借氧化磷酸化產(chǎn)能；甘油醛-3-磷酸：經(jīng)EMP、TCA徹底氧化；生成（醛縮酶）己糖-磷酸；（4、5碳）磷酸糖：合成細胞壁；合成芳香氨基酸和核苷酸。六方面的意義。HMP途徑在微生物生命活動中的意義1）為核酸、核苷酸、FAD（FMN）、NAD(P)+、和CoA等的生物合成提供戊糖－磷酸；途徑中的赤蘚糖－4－磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸）的原料。2）產(chǎn)還原力：產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可供通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量。3）擴大碳源利用范圍：為微生物利用C3－C7多種碳源提供了必要的代謝途徑。4)作為固定CO2的中介：是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介（HMP途徑中的核酮糖－5－磷酸可形成核酮糖－1，5－二磷酸，在羧化酶的催化下可固定CO2）。5）連接EMP途徑：通過與EMP途徑的連接（在果糖－1，6－二磷酸和甘油醛－3－磷酸處），可為生物合成提供更多的戊糖。6）通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸等。HMP途徑在微生物生命活動中的意義3、ED途徑

（Entner-Doudoroffpathway）ED途徑:又稱2－酮－3－脫氧－6－磷酸葡糖酸(KDPG)途徑。ED反應(yīng)中的關(guān)鍵反應(yīng)

1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。ED途徑過程：（4步反應(yīng)）

一個總反應(yīng)式：C6H12O6+ADP+Pi+NAD++NADP+2CH3COCOOH+ATP+NADH+H++NADPH+H+兩個關(guān)鍵和特點：

關(guān)鍵反應(yīng)：KDPG裂解為丙酮酸和3－磷酸甘油醛；

關(guān)鍵酶：KDPG醛縮酶；

特點：反應(yīng)步驟簡單；產(chǎn)能效率低。三條途徑相連：EMP、HMP、TCAED途徑的特點ED途徑的特點四步反應(yīng)獲丙酮酸：從葡萄糖獲丙酮酸僅需四步。2分子丙酮酸的來歷不同，其一由KDPG直接裂解形成；另一則由3－磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來。五個產(chǎn)物去向：

NADPH+H+：產(chǎn)能，產(chǎn)還原力；

ATP：合成反應(yīng)；NADH+H+：產(chǎn)能；丙酮酸：1.有氧時進入TCA循環(huán)；2.經(jīng)細菌酒精發(fā)酵產(chǎn)乙醇。4、TCA循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）TCA循環(huán):即三羧酸循環(huán)，又稱Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)(citricacidcycle)。特點：1）氧雖不直接參與其中反應(yīng)，但必須在有氧條件下運轉(zhuǎn)；（關(guān)鍵酶：丙酮酸脫氫酶）2）每分子丙酮酸可產(chǎn)4個NADH、1個FADH2和1個GTP，總共相當于15個ATP，產(chǎn)能效率極高；3）TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，不僅可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，而且還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)緊密相關(guān)。EMP途徑的總反應(yīng)式為：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2OHMP途徑的總反應(yīng)式為：6C6H12O6+12NADP++6H2O5C6H12O6+12NADPH+12H++6CO2+PiED途徑的總反應(yīng)式為：C6H12O6+NAD++NADP++ADP+Pi2CH3COCOOH+ATP+NADH+H++NADPH+H+TCA循環(huán)的總反應(yīng)式：CH3COCOOH＋4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP四條途徑總反應(yīng)式的比較四條途徑產(chǎn)能效率比較5.WD途徑

PK途徑（磷酸酮解酶途徑）

1G乳酸+乙酸+1ATP

+NADPH+H+

a、磷酸戊糖酮解酶途徑（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+

乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙酰輔酶A丙酮酸乳酸G5-磷酸-木酮糖乙醇b.磷酸己糖酮解酶途徑—

又稱HK途徑（兩歧雙歧桿菌）1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

G6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶

3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖+5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

6.Stickland反應(yīng)二、丙酮酸代謝的多樣性（一）酒精發(fā)酵（二）乳酸發(fā)酵（三）丁酸發(fā)酵（四）混合酸發(fā)酵（五）醋酸發(fā)酵（六）檸檬酸發(fā)酵第三節(jié)微生物的合成代謝

一、無機養(yǎng)分的同化

（一）二氧化碳的同化（二）硝酸鹽的同化還原二、細胞結(jié)構(gòu)大分子物質(zhì)的合成

（一）肽聚糖的合成（二）氨基酸的合成三、微生物的次生代謝

（一）初級代謝和次級代謝（二）次級代謝產(chǎn)物的類型（一）二氧化碳的同化

1、卡爾文循環(huán)（Calvincycle）

Calvin循環(huán)又稱Calvin-Benson循環(huán)、核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)。這一循環(huán)是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。一個總反應(yīng)式：6CO2＋12NAD(P)H2＋18ATPC6H12O6＋12NAD(P)+18ADP+18Pi兩個特有酶：磷酸核酮糖激酶，核酮糖羧化酶；三個階段：羧化反應(yīng)，還原反應(yīng)，CO2受體再生；四類生物的主要途徑：綠色植物，藍細菌，絕大多數(shù)光合細菌，全部好氧化能自養(yǎng)菌。2、厭氧乙?！o酶A途徑厭氧乙酰—輔酶A途徑：又稱活性乙酸途徑，出現(xiàn)在能利用氫的嚴格厭氧菌（產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)乙酸菌等）中，它們不存在卡爾文循環(huán)，由乙?！o酶A途徑固定CO2。總反應(yīng)：4H2+2CO2CH3COOH+2H2O關(guān)鍵酶：CO脫氫酶最終產(chǎn)物：丙酮酸、乙酸。3、還原性TCA途徑少數(shù)光合細菌（如嗜硫代硫酸鹽綠菌）的CO2通過琥珀?！狢o